Transcript Ch2熱(基礎物理A)
職校物理 第1章 力與運動 第2章 熱 第3章 聲音 第4章 光 第5章 電與磁 熱 2.1 溫度與熱量 2.2 熱現象與物態變化 2.3 熱的傳播 2.4 熱與生活 大白天艷陽高照，赤腳走到戶外，你會覺得柏油路比旁邊的 草皮燙腳的多，到了晚上，你反而會覺得草皮似乎比柏油路 溫暖的多，是什麼原因造成這個現象? 回首頁 2.1 溫度與熱量 2.1.1 溫度 敘述物體的冷熱程度我們就稱為溫度。 一般將冷熱程度不同的物體接觸在一起， 不與外界接觸，經過一段時間後，會達到 相同的冷熱程度，稱熱平衡。 假設有A、B、C三種物體，當A與C形成 熱平衡，且B與C也形成熱平衡時，依據 經驗物體A與B必形成熱平衡關係 。 回目錄 華氏與攝氏之區別 華倫海特利用水銀作為測溫 物質，將冰點(ice point)定 為32度，水的沸點(builing point)溫度訂為212 度，稱 為華氏溫標。 攝爾賽斯，將冰點定為0度， 水的沸點訂為100度，成為 目前通用的攝氏溫標。 回目錄 水銀溫度計 華氏與攝氏計算方式 C 0 F 32 100 0 212 32 C F 32 100 180 5 攝氏度數C (華氏度數F 32) 9 9 華氏度數F 攝氏度數C 32 5 回目錄 凱氏指標 另外還有一種溫標，稱作絕對溫標或稱為凱氏溫標。 就是冰、水、水蒸氣三相共存，此時的溫度就稱為水 的三相點。將這三相點的溫度定為絕對溫度273.16K， 並以攝氏溫標間隔為刻度的溫標，稱為絕對溫標。 因此絕對溫標在1大氣壓下，水的冰點為273K，沸點 為373K。 回目錄 華氏、攝氏、凱氏換算表 5 攝氏度數C (華氏度數F 32) 9 9 華氏度數F 攝氏度數C 32 5 攝氏度數(C) 凱氏度數(K) 273 凱氏度數(K) 攝氏度數(C) 273 攝氏 右圖為華氏、 攝氏、凱氏溫標在 冰點與沸點的對照 回目錄 凱氏 華氏 3.1.2 熱量、比熱與熱容量 當溫度不同的兩個物體接觸時，在達到熱 平衡的過程中，由高溫物體流向低溫物體 的能量，就稱為熱量。 影片—熱能 高溫 平衡溫度 接觸 低溫 • 高溫物體降溫，產生放熱 • 低溫物體升溫，產生吸熱 回目錄 • 實驗結果整理： • 液體吸收熱量成氣體，所吸收的熱量 2公斤的水>1公斤的水 • 您的選擇： 中午大太陽下，你會選擇座相同質量木頭 的椅子還是鐵製的椅子？Why? • 布萊克（英國人）首先提出熱量的變化與物體 的質量及物體溫度變化成正比。公式如下所示： Q H m s T H : ca l(卡） m : g（克） T： C S：比例常數，比熱 •不同物質在相同質量及相同溫差變化所須的 熱量不同。這種差異決定的比例常數，我們 稱為比熱。 Q H m s T cal H s g C m T 常見物質的比熱 物質 比熱(cal/g-oC) 物質 水 1 錫 0.105 冰 0.55 鋅 0.094 酒精 0.58 銅 0.093 乙醚 0.54 銀 0.056 硫酸 0.33 水銀 0.033 鋁 0.217 鉑 0.0324 玻璃 0.19 金 0.032 鐵 0.113 鉛 0.031 回目錄 比熱(cal/g-oC) 2.2 熱現象與物態變化 2.2.1 熱現象 影片—熱 大多數的物質，溫度升高則膨脹，遇冷則收縮，此現象稱 為熱膨脹。 物質膨脹以氣體最為明顯，液體次之，固體最小。由於液 體和氣體並無固定形狀，因此在液體和氣體只討論體積膨 脹的問題。 一、固體的熱膨脹 固體有固定形狀，所以會有線膨脹、面膨脹及體膨脹。 1.線膨脹： 固體由於熱脹冷縮的原因，使得長度增 加的現象稱為熱膨脹。 回目錄 •當溫度升高1度時，物體長度增長量與0度時的 原長的比值，定義為線膨脹係數α。 固體在0度時長度為L0，在t度時長度變為L。依 定義可知： L L0 (1 t) 一般物質的線膨脹係數並不大，但是受到熱脹冷縮 的影響，鐵軌、鐵橋等接合處，仍然需留有空隙， 避免受熱膨脹後，造成通行的危險。 而輸油管每隔一段距離，須要彎成型的迴路，也 都是為了預防熱脹冷縮。 物質 α(1/oC) 物質 α(1/oC) 鋁 23.010-6 鉛 29.010-6 銅 17.010-6 鋼 11.010-6 水銀 61.010-6 銀 18.810-6 一般玻璃 9.010-6 鋅 29.510-6 冰 51.010-6 金 13.910-6 回目錄 一般物質線膨 脹係數表 雙金屬片受熱的影響 2.面膨脹： 固體受熱使得固體面積增加的現象稱為面膨脹。 因此將溫度升高1度時，物體面積的增加量與0度時面 積的比值，定義為面膨脹係數β。假設0度時物體面積 為A0，在t度時面積變為A。依定義可知： A A0 (1 t) 回目錄 • 3.體膨脹： • 固體受熱使得固體體積增加的現象稱為體膨脹。 • 因此將溫度升高1度時，物體體積的增加量與0度時 面積的比值，定義為體膨脹係數γ。假設0度時物體 面積為V0，在t度時面積變為V。依定義可知： V V0 (1 t ) : : 1: 2 : 3 二、液體的熱膨脹 液體遇熱也會膨脹，但是 膨脹率較固體大的多。 由於液體無固定形狀，須 放置在容器中，因此在討論 液體的熱膨脹時，須另外考 慮容器也有熱膨脹的現象。 多數液體是熱脹冷縮，只 有水的膨脹較為奇特。 水體積與溫度的關係 回目錄 冰晶圖 由於水在4度時，體積最小，密度最高。因此湖水 結冰由湖面開始，即使在最寒冷的冬天，湖底也 往往不會結冰，這使得魚兒得以有生存的空間如 下圖所示。 -10度 0度 4度 冬天結冰是從湖面開始，冰層以下的水溫 從0度往下增加到4度。 回目錄 三、氣體熱膨脹 固體或液體的膨脹係數都很小，因此膨脹的程度 與壓力變化關係不大，相較之下，由於氣體具有 較大的擴張性以及壓縮性，使得氣體膨脹與壓力 的關係極大。 回目錄 目前我們所使用的溫度計大多是利用物體的熱膨脹特性 來製作，並具備以下特性： (1)比熱小：能快速與待測物達到熱平衡。 (2)質量小：測量時較不影響待測物溫度。 (3)膨脹係數較大：能使熱現象明顯，容易觀察。 回目錄 就目前常見溫度計形式有 (1)液體溫度計：水銀溫度計及酒精溫度計兩種。 (2)氣體溫度計：熱膨脹最明顯，但比熱較高，達 熱平衡時間較長。 (3)電阻溫度計：利用金屬電阻會隨溫度而變化的 特性來量測溫度，常用於溫度控制裝置。 此外偵測物體發出的熱輻射也可以用來測量溫度， 例如測量熔爐的光溫度計或者在機場入境時使用 的紅外線溫度儀。 回目錄 2.2.2 物質三態與潛熱 一般物質存在的形態有固態、液態和氣態三種， 稱為物質三態或稱為物質三相。 當壓力改變或溫度改變導致物質狀態的改變，稱為 相變化。 影片—熱的應用 回目錄 當固態物質因為加熱變為液態，稱為熔化，而 熔化時的溫度，我們稱為熔點。 物質由液態變為固態，稱為凝固，凝固時的溫 度，稱為凝固點。 物質由液態變為氣態，稱為汽化，依照液體汽 化的速度，又分為蒸發與沸騰。 回目錄 當蒸氣放熱，使物質由氣態變回液態的現象，被 稱為液化或者凝結，凝結時的溫度稱為凝結點。 另外有些物質(碘)會直接從固體變為氣體的現象 稱為昇華。 回目錄 影片—熱與物質 常見物質的熔化熱與汽化熱 物質 熔點(oC) 熔化熱 (cal/g) 沸點(oC) 汽化熱 (cal/g) 水 0 80 100 539 酒精 -114 24.9 78 204 水銀 -38.8 2.82 357 65 硫 119 9.1 444.6 78 銅 1083 42 2300 1750 銀 960.8 21.1 2193 558 金 1063 15.4 2660 377 回目錄 2.3 熱的傳播 熱的自然傳播，必定是由溫度較高的物體傳到 較冷的物體。要達到所有物質溫度平衡的方式有三 種，即熱傳導(conduction)、熱對流(convection) 以及熱輻射(radiation)。 回目錄 一、熱傳導 一般來說，熱傳導可發生在物質的內部，也可發生於 相互接觸的不同物質之間。 物質 導熱係數 cal / cm s C 物質 導熱係數 cal / cm s C 銀 0.98 玻璃 0.0019 銅 0.92 水 0.0015 鋁 0.48 橡木 0.0038 鐵 0.16 棉 0.00004 鉛 0.08 玻璃纖維 0.000093 鋅 0.27 氫氣 0.00041 水銀 0.02 空氣 0.000055 回目錄 二、熱對流 另一種熱傳遞方式，則是利用 物質本身移動來將熱量傳至別 處。 底部水受熱膨脹，密度減小而 上浮，而上方的水因為溫度較 低，密度較大而下沉，造成水 的上下循環流動。 將熱量傳遞到流體內各部份的 現象，稱為對流。 回目錄 由於陸地比熱低，溫度會比海面溫度高，因此陸地空 氣上升，使得海面空氣吹向陸地，稱為海風， 晚間陸地比熱小、散熱快，風向由陸地吹往海面，稱 為陸風。 白天 回目錄 夜晚 三、熱輻射 熱傳導與熱對流都是藉由介質傳播。 太陽的熱是以另一種方式將熱量傳遞，那就是 熱輻射。輻射是以電磁波形式存在，包括無線 電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X光 以及加瑪射線等等。 回目錄 溫室效應 地球大氣層內的二氧化碳 和水蒸氣如同車窗玻璃， 當二氧化碳或水蒸氣濃度 過高時，就會阻擋向外溢 出的熱輻射，使得地球溫 度日益增高。 回目錄 從太陽來的短波 從大地發出的長波 2.4 熱與生活 保溫瓶結構 就熱傳導而言，空調設備 或電冰箱的冷氣出風口都 會裝置在冷房較高處，讓 冷空氣下降以及熱空氣上 升後被空調設施吸回的對 流現象。 影片—熱的總結 回目錄 仟卡:1仟卡能使1公升的水升高攝氏1度。 BTU:1BTU能使1磅的水升高華氏1度。 噸:能讓1噸0℃的水，在24小時內凝固成0℃的冰。 因此1噸的冷房能力約相當於3300千卡/小時。 EER(energy efficiency ratio)是能源效率比值 (EER=冷房能力/耗電能力)。 回目錄 結束